高速转镜干涉成像光谱仪

　　0　引言

　　成像光谱仪作为空间遥感领域中最强有力的工具之一,越来越受到各国政府的重视.由于时间调制干涉成像光谱技术固有的高通量、多通道、易于定标等优点,至今许多方案仍无法与之比拟.因此,能够克服精密直线动镜驱动难题的新型时间调制干涉成像光谱仪技术方案的研究一直是成像光谱技术研究的一个主要方面.著名学者Griffiths在1999年提出了一种高速转镜式时间调制干涉成像光谱仪[1],该方案采用了相对稳定的转镜系统,设计十分巧妙,经过高速转镜四次反射波面并未倾斜,保持了很好的相干性.Griffiths也因该方案而荣获2003年度美国分析化学与应用光谱学Bomem Michelson杰出贡献奖.该文在分析Griffiths光谱仪原理基础上,给出一种新型高速转镜式干涉成像光谱仪的设计方案.

　　1　Griffiths光谱仪原理

　　Griffiths光谱仪的原理图如图1[2].图中有一倾角很小的平面反射镜1固定在马达的转轴上,随马达转动.目标物发出的光线经分束器分成两路,一路经平面反射镜1反射到角反射体,经角反射体反射回的光线再经平面反射镜1反射,垂直入射到平面反射镜2,再经平面反射镜2反射,使光线原路返回;另一路光线垂直入射到平面反射镜3,经平面反射镜3反射光线原路返回,两路光线最终在探测器处干涉.两路光线的光程差随着平面反射镜1旋转而变化,当马达带着平面反射镜1旋转一周时,探测器就可得到目标的干涉图.

　　Griffiths光谱仪的原理与动镜Michelson干涉仪的类似,只是把Michelson干涉仪动镜的直线运动用转动代替.该原理设计的巧妙之处在于光线经过多次反射仍能原路返回.但从上面的分析可以知,只有点目标的光线经准直镜后垂直反射镜2的入射能够原路返回,即该光谱仪马达转动一周仅能得到目标物上一个点的干涉图.因此要想用该光谱仪成像必须进行挥扫,扫描效率较低.下面将给出一种高速转镜干涉成像光谱仪(Ultra2rapid2scanning Imaging Interferometer)的设计方案.

　　2　高速转镜干涉成像光谱仪的原理

　　图2是高速转镜干涉成像光谱仪光学原理图.图中物AB位于准直镜的焦平面上,AB上点A发出的光线经准直镜后变成一束平行光,经分束器分成反射光线和透射光线两束.反射光束经平面反射镜反射到角反射体1,角反射体再把光线反射回平面反射镜,该光线再经平面镜反射、分束器透射到达收集镜;透射光束经角反射体2反射回分束器,再由分束器反射到收集镜,两束光线经收集镜汇聚于其焦平面上A′点.随着马达转动反射光线到达A′点的光程改变,而透射光线的光程不变,因此两束光线产生光程差,即A点发出的光会在A′干涉.在收集镜的焦平面上放一个面阵CCD,就可以得到干涉图.